靜-動(dòng)加載相結(jié)合的材料狀態(tài)方程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制?

舒樺 涂昱淳 王寯越 賈果 葉君建 鄧文 束海云楊艷平 杜雪艷 謝志勇 賀芝宇 方智恒 華能黃秀光 裴文兵 傅思祖

1)(上海激光等離子體研究所,上海 201800)

2)(北京高壓科學(xué)研究中心,北京 100094)

3)(中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,上海 201800)

1 引 言

材料在高壓下的狀態(tài)方程[1?6]對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)、理論物理學(xué)、地球物理學(xué)、宇宙起源及其他一些分支學(xué)科的研究具有重要的意義.目前理論上的物質(zhì)寬域狀態(tài)方程參數(shù)是由多模型多理論分區(qū)分段拼接得到,特別是在過(guò)渡區(qū),不同模型的結(jié)果差異很大,反映出人們對(duì)狀態(tài)方程的認(rèn)識(shí)不足,僅依靠純理論方法還無(wú)法獲得高精度的材料寬區(qū)狀態(tài)方程.目前實(shí)驗(yàn)給出的沖擊雨貢紐數(shù)據(jù)的狀態(tài)范圍太局限,且誤差較大,不足以檢驗(yàn)理論模型.為此急需建立材料寬域狀態(tài)方程實(shí)驗(yàn)研究能力.

采用靜加載(如圖1所示,金剛石壓砧,DAC)和動(dòng)荷載(激光,Laser)相結(jié)合的方法[7?14],先用靜加載改變材料的初始狀態(tài),然后用高功率激光實(shí)施沖擊加載,可以獲取材料在不同預(yù)壓縮狀態(tài)下的材料物態(tài)參數(shù),可以顯著拓寬狀態(tài)方程研究的溫度、密度區(qū)間,可以實(shí)現(xiàn)材料在高密度狀態(tài)下的物性探測(cè),填補(bǔ)全區(qū)域相空間上的數(shù)據(jù)空白,確定材料的寬區(qū)狀態(tài)方程,實(shí)現(xiàn)若干材料物性的新發(fā)現(xiàn),會(huì)極大地促進(jìn)行星體學(xué)和天文學(xué)的研究.我國(guó)的相關(guān)技術(shù)和研究還處于基礎(chǔ)階段,相關(guān)的科學(xué)研究幾乎為空白.

本文主要介紹基于神光-II激光裝置新發(fā)展的靜-動(dòng)加載相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)技術(shù),該技術(shù)先用靜高壓裝置預(yù)壓縮樣品,然后用激光進(jìn)行沖擊加載,對(duì)于低Z材料(如水、氫等)靜加載壓力范圍可以從零點(diǎn)幾個(gè)吉帕到2.5 GPa,沖擊加載壓力可以從幾十吉帕到500 GPa.通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)靜高壓(DAC)裝置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì),研制出了適合高功率激光加載條件下材料狀態(tài)方程研究的新型靜高壓裝置.采用靜高壓(DAC)和動(dòng)高壓(Laser)相結(jié)合的方式,在神光-II高功率激光裝置上建立了材料寬域狀態(tài)方程研究平臺(tái).利用這一平臺(tái)開(kāi)展了超純水的寬域狀態(tài)方程實(shí)驗(yàn)探索,獲得了超純水在0.5 GPa預(yù)壓縮狀態(tài)下的雨貢鈕數(shù)據(jù),并與不同理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基于量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果符合得更好.

圖1 靜加載靶示意圖Fig.1.Schematic diagram of static loading target.

2 靶物理設(shè)計(jì)

利用高功率激光驅(qū)動(dòng)強(qiáng)沖擊波開(kāi)展材料高壓狀態(tài)方程研究已是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù).阻抗匹配法[15,16]是強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)沖擊波獲取材料狀態(tài)參數(shù)的主要方法.阻抗匹配方法要求沖擊波滿足平面性、穩(wěn)定性和干凈性等要求.因此新型靜加載(DAC)裝置設(shè)計(jì)需要考慮這些因素.

脈沖寬度為納秒量級(jí)的高功率激光驅(qū)動(dòng)的沖擊波的平面范圍約300—800μm,隨著沖擊波在介質(zhì)中的傳播,沖擊波強(qiáng)度逐漸衰減,沖擊波的平面范圍會(huì)逐漸減小,因此,沖擊波在介質(zhì)中的傳播距離不宜太遠(yuǎn).在靜-動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)中,靜加載(DAC)裝置中的DAC不僅是靜高壓裝置的壓力產(chǎn)生源,同時(shí)也是動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)中沖擊波的傳播介質(zhì).為了能在樣品中獲得盡可能高的動(dòng)加載壓力,要求DAC的厚度盡量薄,但是DAC厚度太薄會(huì)限制靜加載壓力.因此,需要對(duì)傳統(tǒng)DAC進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),使其厚度既能滿足激光動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)要求,又能使靜加載壓力盡量高.根據(jù)神光-II第九路激光產(chǎn)生沖擊波的平面范圍和沖擊波在介質(zhì)中的傳播和衰減規(guī)律,提出了相應(yīng)的靜加載靶物理設(shè)計(jì)方案,具體的設(shè)計(jì)方案如圖2所示.

圖2從左到右依次是前碳化鎢底座、25μm厚度聚苯乙烯燒蝕層、2μm厚的金預(yù)熱阻擋層、前窗DAC、墊片、標(biāo)準(zhǔn)樣品、待研究樣品、后窗DAC、后碳化鎢底座.改進(jìn)后的靜加載(DAC)靶和傳統(tǒng)的靜加載(DAC)靶相比有如下4點(diǎn)不同之處:1)前窗金剛石的厚度減薄到200μm左右,這樣既能保證靜加載壓力,又能保證沖擊波經(jīng)過(guò)前窗金剛石到達(dá)樣品后仍然有較高的強(qiáng)度和一定的平面范圍;2)前窗金剛石上增加了25μm厚度聚苯乙烯燒蝕層和2μm厚的金預(yù)熱阻擋層;3)墊片的直徑增加到800μm,材料選擇相對(duì)容易變形的銅;4)后窗金剛石雙面鍍上了針對(duì)660 nm激光的增透膜.

圖2 改進(jìn)的靶設(shè)計(jì)示意圖Fig.2.Improved schematic diagram of target design.

3 靶制備

和傳統(tǒng)靜加載(DAC)裝置相比,改進(jìn)后的靜加載(DAC)裝置不僅在金剛石尺寸上做了很大的改變,而且增加了很多傳統(tǒng)靜加載(DAC)裝置沒(méi)有的新增要素.這些改變極大地增加了這種改進(jìn)型靜加載(DAC)靶的裝配難度.為此,我們制定了專門(mén)的裝配流程.先用膠將厚度25μm+15μm,直徑400μm的鋁臺(tái)階固定到前窗金剛石的中心,對(duì)中的偏差小于50μm.然后將前窗金剛石固定到前碳化鎢底座上,把墊片固定到前窗上,放入紅寶石壓標(biāo)和水樣品,最后將前后窗合上進(jìn)行加壓.

采用厚度為100μm的前窗金剛石,獲得的最高初始靜壓為0.85 GPa.樣品的初始靜壓是通過(guò)紅寶石熒光法進(jìn)行測(cè)量的,壓力測(cè)量不確定度約0.03 GPa.圖3(a)給出了紅寶石測(cè)壓裝置的實(shí)物照片,圖3(b)為其中一發(fā)靶的紅寶石熒光譜[17]線測(cè)量結(jié)果.其中藍(lán)線表示沒(méi)有加壓時(shí)的紅寶石熒光譜,黑線表示第一次加壓后的紅寶石熒光譜,紅線表示再次加壓后的紅寶石熒光譜.

圖3 (a)紅寶石熒光測(cè)壓裝置和(b)紅寶石熒光譜線Fig.3.(a)Ruby fl uorescence pressure measuring device and(b)ruby fl uorescence line.

圖4 實(shí)驗(yàn)排布照片F(xiàn)ig.4.Experimental arrangement photos.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

激光加載實(shí)驗(yàn)是在高功率激光聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的神光-II裝置上開(kāi)展的,實(shí)驗(yàn)采用直接驅(qū)動(dòng)的打靶方式,利用神光-II裝置的第九路激光直接輻照靶,在靶中產(chǎn)生強(qiáng)沖擊.為了實(shí)現(xiàn)靶面均勻照明,采用列陣透鏡技術(shù)[18?20]對(duì)驅(qū)動(dòng)激光進(jìn)行空間束勻滑.在靶面形成一個(gè)大小約為0.65 mm2均勻照明區(qū)域,所形成沖擊波的平面區(qū)域約為400μm.驅(qū)動(dòng)激光的波長(zhǎng)是0.527μm,驅(qū)動(dòng)激光的脈沖波形為梯形方波(脈沖寬度3 ns),激光在靶面的功率密度約0.5—2×1014W/cm2.具體實(shí)驗(yàn)排布如圖4所示.

實(shí)驗(yàn)的主要診斷設(shè)備是一套雙靈敏度任意反射面速度干涉儀(VISAR)[21?23]和輻射高溫計(jì)(SOP)[24].實(shí)驗(yàn)中沖擊波的強(qiáng)度足以使水中的沖擊波波陣面反射探針激光,因此,水中沖擊波速度可以直接通過(guò)VISAR測(cè)量得到.為了解決VISAR條紋丟失問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)中采用兩套不同速度靈敏的VISAR系統(tǒng),VISAR的條紋常數(shù)分別是5.63和2.82 km/s.

實(shí)驗(yàn)采用阻抗匹配方法[15,16]研究超純水的狀態(tài)方程,用鋁作為標(biāo)準(zhǔn)材料,因?yàn)殇X的狀態(tài)方程數(shù)據(jù)很多.典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,其中圖5(a)是VISAR測(cè)量結(jié)果,圖像的豎直方向代表時(shí)間,水平方向代表空間,條紋移動(dòng)代表沖擊波速度的變化.圖5(b)是SOP測(cè)量結(jié)果.

水的初始靜壓約為0.5 GPa,壓力通過(guò)紅寶石壓標(biāo)測(cè)量給出.鋁中的沖擊波速度通過(guò)鋁臺(tái)階厚度(實(shí)驗(yàn)前用白光干涉儀測(cè)量給出)和沖擊波在鋁臺(tái)階中的傳播時(shí)間給出,水中的沖擊波速度通過(guò)VISAR測(cè)量.實(shí)驗(yàn)上測(cè)量出標(biāo)準(zhǔn)材料(Al)和待測(cè)量(水)的沖擊波速度后,就可以通過(guò)阻抗匹配方法確定水的雨貢鈕狀態(tài).本輪實(shí)驗(yàn)一共打了3發(fā),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于Sesame模型和量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果的比較如圖6所示,其中綠色點(diǎn)劃線是基于量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型(QMD)[13,25]計(jì)算出的水在初始?jí)毫?.5 GPa下的雨貢鈕數(shù)據(jù),紅色點(diǎn)劃線是基于Sesame[9,13]庫(kù)計(jì)算出的水在初始?jí)毫?.5 GPa下的雨貢鈕數(shù)據(jù),黑色點(diǎn)劃線是基于Sesame庫(kù)計(jì)算出的水在初始?jí)毫?.0 GPa下的雨貢鈕數(shù)據(jù).可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基于量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果符合得更好.Sesame模型是一種多組分、多相狀態(tài)方程,它采用線性混合假設(shè)考慮原子、分子解離、電離等過(guò)程.量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算(QMD)是一種基于第一性原理的從頭算法,采用有限溫度密度泛函理論計(jì)算電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)相關(guān)信息,可以描述化學(xué)鍵的斷裂和重組,或者電子的重排(如化學(xué)反應(yīng)).在我們研究的壓力-溫度區(qū)間,Sesame模型中用的線性混合假設(shè)可能已經(jīng)不能真實(shí)地描述水的解離、電離等過(guò)程.而量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算能比較真實(shí)地描述在該壓力和溫度范圍中水的解離、電離等過(guò)程.故實(shí)驗(yàn)結(jié)果更符合基于量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果.

圖5 典型的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果 (a)VISAR測(cè)量結(jié)果;(b)SOP測(cè)量結(jié)果Fig.5.Typical experimental results measured by(a)VISAR and(b)SOP,respectively.

圖6 壓力-密度曲線Fig.6.Pressure density curves.

5 結(jié) 論

根據(jù)神光-II第九路高功率激光加載的特點(diǎn),對(duì)傳統(tǒng)靜高壓(DAC)裝置進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì),研制出了適合高功率激光加載條件下材料狀態(tài)方程研究的新型靜高壓裝置.根據(jù)新型靜高壓裝置的特點(diǎn),制定了專門(mén)的裝配流程,逐步解決了前窗DAC和碳化鎢底座的連接固定問(wèn)題、前窗金剛石和標(biāo)準(zhǔn)樣品的連接固定問(wèn)題、碳化鎢底座中心和標(biāo)準(zhǔn)材料的對(duì)中等系列問(wèn)題.研制出了最高初始靜壓0.85 GPa的超純水靶.采用靜高壓(DAC)和動(dòng)高壓(Laser)相結(jié)合的方式,進(jìn)行了超純水材料寬域狀態(tài)方程研究探索實(shí)驗(yàn),獲得了超純水在0.5 GPa預(yù)壓縮狀態(tài)下的雨貢鈕數(shù)據(jù),并和不同理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和基于量子分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果符合得更好.

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